Поддержание климата в шкафах автоматики. Тепловой расчет шкафа (Калькулятор)

В современном мире развивающейся автоматизации постоянно стоит вопрос - как продлить срок службы используемого оборудования, чтобы оно работало без сбоев и не вышло из строя раньше времени. Оптимальным решением этой задачи является монтаж оборудования в шкаф управления, ведь основная функция шкафа - это защита установленных приборов от влияния окружающей среды: воды, влаги, пыли и так далее. Правильно подобранный шкаф позволяет защитить оборудование от внешних негативных воздействий.

Расчет температуры обогрева и охлаждения шкафа управления

Однако внутри шкафа также присутствуют факторы, отрицательно влияющие на оборудование. Одним из таких факторов является избыточное тепло. Перегрев довольно частая причина выхода из строя различных устройств. Самым распространенным способом охлаждения оборудования является конвекция — охлаждение потоком воздуха. В этом случае вентиляторы служат наиболее простым и экономным средством отвода тепла.

Другим негативно влияющим фактором внутри шкафа выступает холод. Во-первых, большинство оборудования не рассчитано на работу при сильных морозах, поэтому при установке шкафа в неотапливаемом помещении или на улице, и эксплуатации в зимнее время, необходимо устанавливать в шкаф дополнительный обогрев. Во-вторых, холод создает условие для образования конденсата, а это еще один фактор, который способствует выходу оборудования из строя. Существует так называемая точка росы, это температура, ниже которой при определенной влажности воздуха на поверхности образуется конденсат. Чтобы избежать выпадения конденсата на стенках внутри шкафа автоматики, в шкафу необходимо поддерживать температуру выше точки росы. В Таблице 1 представлены значения точки росы для различных показаний окружающей температуры и влажности воздуха. Использование обогревателей в этих случаях позволит избежать такой проблемы.

Чтобы нейтрализовать все эти факторы и обеспечить долгую службу оборудования, установленного в шкафу, необходимо корректно рассчитать и подобрать комплектующие для поддержания климата внутри шкафа, при этом следует учитывать ряд важных моментов.

Для начала необходимо определить размеры шкафа управления и место его установки. Эти данные необходимы для вычисления эффективной поверхности теплообмена, поверхности, которая может рассеивать тепло в окружающую атмосферу. Чем больше размер шкафа, тем большее количество тепла будет рассеиваться с его поверхности. Соответственно, если необходимо охлаждать автоматику в таком шкафу, нам потребуется меньший объем воздуха, чем если бы мы установили то же самое оборудование в более компактный шкаф. А с обогревом возникает обратная ситуация, обогреть компактный шкаф, проще чем большой. Рассчитать эффективную поверхность теплообмена можно по формулам, приведенным в Таблице 2. Данные формулы взяты из стандарта МЭК 60890, этот документ содержит методику расчета теплообмена при помощи конвекции и естественной вентиляции.

На теплоотвод влияет место установки шкафа. Так, отдельно стоящий шкаф отдает больше тепла в окружающую атмосферу, чем шкаф смонтированный на стене или установленный в один ряд с другими шкафами. Еще одним параметром, влияющим на теплоотвод, является плотность теплового потока, она зависит от константы воздуха. Простыми словами, это скорость, с которой шкаф рассеивает тепло. Этот параметр зависит от атмосферного давления, чем ниже давление, тем хуже рассеивается тепло. А атмосферное давление, в свою очередь, зависит от высоты над уровнем моря. Соответственно, получаем такую зависимость: плотность теплового потока обратно пропорциональна высоте над уровнем моря. Чем выше над уровнем моря установлен шкаф, тем хуже он будет рассеивать тепло. Для средней полосы России высота над уровнем моря составляет 170 метров, и константа воздуха для этого региона будет равна 3,2 м³К/Втч.

Помимо размеров и места установки необходимо учитывать из какого материала изготовлен шкаф. Разный материал имеет разный коэффициент теплоотдачи. Этот параметр показывает какое количество теплоты в единицу времени переходит от более нагретого теплоносителя к менее нагретому через 1м² эффективной поверхности теплообмена. Например, листовая крашеная сталь имеет коэффициент 5,5 Вт/м²К, у нержавеющей стали он равен 4,5 Вт/м²К, а коэффициент алюминия равен 12 Вт/м²К. Если мы возьмем два шкафа одинакового размера, но из разного материала — один из алюминия, второй из стали, то проще будет охладить шкаф из алюминия, так как он имеет больший коэффициент теплоотдачи и через его поверхность будет рассеиваться большее количество тепла, чем с поверхности стального шкафа.

Одним из основных пунктов при выборе шкафа и комплектующих для поддержания климата является само оборудование, которое будет установлено в наш шкаф. Если внутри шкафа смонтированы приборы, выделяющие большое количество тепла: частотники, блоки питания, трансформаторы или другие подобные устройства, то в этом случае нужно обязательно провести расчет и определить требования по дополнительному охлаждению или обогреву шкафа.

Расчет температуры внутри шкафа осуществляется по формуле:

где:
T_r – температура внутри шкафа;
Q_v – тепловыделение установленного оборудования;
k – коэффициент теплоотдачи;
A – эффективная поверхность теплообмена;
T_u – окружающая температура.

Если тепловыделение установленного оборудования неизвестно, �